(57)【要約】  【課題】  圧力の急激な変化に正しく応答する圧力センサを提供する。  【解決手段】  本発明の圧力センサは、電極層２と圧電体層３とが複数積層され、各電極層２に第１の電極２１および第２の電極２２を備え、隣り合う電極層２の第１の電極２１と第２の電極２２とが圧電体層３を介して対向するように配置され、隣り合う電極層２の第１の電極２１の端部同士が積層方向に重なるとともに第１の電極２１の端部同士が接続部４を介して電気的に接続されていることを特徴とするものである。【選択図】  図１
2013007661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極層と圧電体層とが複数積層され、各電極層に第１の電極および第２の電極を備えてなる圧力センサであって、隣り合う電極層の第１の電極と第２の電極とが圧電体層を介して対向するように配置され、隣り合う電極層の第１の電極の端部同士が積層方向に重なるとともに前記第１の電極の端部同士が接続部を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記接続部は前記第１の電極の端部同士の間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記接続部の少なくとも一部が前記第１の電極の端面よりも凹んでいることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記接続部の内部に空隙があることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記空隙が外側に開放したものであることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記空隙が側方から見て台形状であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記接続部における前記空隙に面した内表面に凹凸があることを特徴とする請求項４乃至請求項６のうちいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記空隙が２つ以上あることを特徴とする請求項４乃至請求項７のうちいずれかに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体、液体等の圧力、特に自動車用エンジンなどの内燃機関の燃焼圧力を計測するための圧力センサで、内燃機関のシリンダに取り付けられた点火プラグや燃料インジェクタなどの装置に備わり、シリンダ内圧力を検出する圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電効果を用いた圧力センサは、圧電体と、圧電体を挟持するように配置された異なる極性の第１の電極および第２の電極を含む構成になっている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ここで、自動車用エンジンのシリンダに取り付けられる点火プラグや燃料インジェクタなどの装置に圧力センサを配置する課題として、機械振動による円環形状など連続した形状特有の振動モードが発生することが挙げられる。そこで、図９のように、各電極層に第１の電極９２と第２の電極９３を備え、隣り合う電極層の第１の電極９２と第２の電極９３とが圧電体層９４を介して対向するように配置されるとともに、第１の電極９２の端部同士が接続部９５を介して電気的に接続された構造の圧力センサ９１が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平7−77474号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の構造では、圧力の急激な変化により電荷が変動する際、同じ電極層の隣り合う電極間で、電波の放射および放射された電波の受信がなされ、出力電圧に電波が加わり、圧力を正しく出力できない虞がある。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、圧力の急激な変化があっても正しく出力できる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧力センサは、電極層と圧電体層とが複数積層され、各電極層に第１の電極および第２の電極を備えてなる圧力センサであって、隣り合う電極層の第１の電極と第２の電極とが圧電体層を介して対向するように配置され、隣り合う電極層の第１の電極の端部同士が積層方向に重なるとともに前記第１の電極の端部同士が接続部を介して電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、接続部は前記第１の電極の端部同士の間に設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記接続部の少なくとも一部が前記第１の電極の端面よりも凹んでいることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記接続部の内部に空隙があることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記空隙が外側に開放したものであることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記空隙が側方から見て台形状であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記接続部における前記空隙に面した内表面に凹凸があることを特徴とするとするものである。
【００１４】
また、本発明の圧力センサは、上記の構成において、前記空隙が２つ以上あることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧力センサによれば、隣り合う電極層の第１の電極の端部同士が積層方向に重なるとともに第１の電極の端部同士が接続部を介して電気的に接続されていることで、第２の電極の端部から放射された電波が第１の電極の端部間を通過しようとする際に第１の電極に誘起電流が生じて電波に逆らう為、電波が相殺されて、近接する第２の電極に伝搬しにくくなる。したがって、出力電圧に電波が加わることなく、圧力センサが圧力を正しく出力できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は本発明の圧力センサの実施の形態の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａの側面図である。
【図２】（ａ）は本発明の圧力センサの実施の形態の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａの内部を示す円周方向の断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の圧力センサの実施の形態の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａの内部を示す円周方向の断面図である。
【図４】図３に示す領域Ａの内部の他の例を示す円周方向の断面図である。
【図５】図４に示すＢ−Ｂ線における他の例を示す断面図である。
【図６】図３に示す領域Ａにおける他の例を示す円周方向の断面図である。
【図７】図３に示す領域Ａにおける他の例を示す円周方向の断面図である。
【図８】図３に示す領域Ａにおける他の例を示す円周方向の断面図である。
【図９】従来の圧力センサを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の圧力センサの実施の形態の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａの側面図である。
【００１９】
図１に示す圧力センサ１は、電極層２と圧電体層３とが複数積層され、各電極層２に第１の電極２１および第２の電極２２を備え、隣り合う電極層２の第１の電極２１と第２の電極２２とが圧電体層３を介して対向するように配置され、隣り合う電極層２の第１の電極２１の端部同士が積層方向に重なるとともに第１の電極２１の端部同士が接続部４を介して電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【００２０】
図１に示す圧力センサ１は、電極層２と圧電体層３とが交互に積層された積層体である。この圧力センサ１は、例えば自動車エンジンの点火プラグ取付部に実装してエンジンのシリンダ内圧を測定するために使用する場合、外径１０〜３０ｍｍ程度、高さ０．５〜６ｍｍ程度の大きさとされる。
【００２１】
電極層２は、ステンレス、銅、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金などの金属からなる第１の電極２１および第２の電極２２を備えている。図１に示す電極層２は、円弧状の第１の電極２１および第２の電極２２で略円環状に形成されたものであり、外周の直径が１０〜３０ｍｍ、外周の半径と内周の半径との差が０．２〜７．５ｍｍ、厚みが０．０２〜３ｍｍとなっている。
【００２２】
なお、第１の電極２１と第２の電極２２の形状は、その用途に応じて円弧状の他に矩形形状のものなどを採用することもでき、第１の電極２１と第２の電極２２とは同じ形状でなくてもよい。また、図１に示す電極層２は２層しか設けられていないが、さらに層数が増加してもよい。また、主面に圧電体層３が被覆された第１の電極２１と圧電体層３の被覆されていない第２の電極２２とが交互に配置された例を示しているが、このような配置に限定されず、交互ではない一定の規則性をもたせた配置でもよい。さらに、電極層２には、第１の電極２１と第２の電極２２だけでなく、３つ以上の電極を配置させてもよい。
【００２３】
隣り合う電極層２の第１の電極２１と第２の電極２２とは圧電体層３を介して対向するように配置されている。図に示す例では、第１の電極２１の両主面に圧電体層３が形成されることで、隣り合う電極層２の第１の電極２１と第２の電極２２とが対向するように配置された際に、第１の電極２１と第２の電極２２との間に圧電体層３が介在された構成になっている。
【００２４】
圧電体層３は、厚さ方向のように、ある一方向に圧電性を有する圧電材料、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランガサイト、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなり、０．３μｍ〜１００μｍ程度の厚みに形成されたものである。この圧電体層３に圧力が加わると、その圧電的性質により印加された圧力に応じた量だけ圧電体層３の積層面に電荷が発生するようになっている。圧電体層３としては、厚さ方向に特に大きな圧電定数を有する結晶方向で配向されていることが好ましい。ただし、その組織形態は単結晶、多結晶のいずれでもよく、なんら限定されるものではない。また、圧電体層３は、第１の電極２１の主面を被覆するように成膜されたものでもよく、成形体でもよい。
【００２５】
そして、隣り合う電極層２の第１の電極２１の端部同士が積層方向に重なるとともに第１の電極２１の端部同士が接続部４を介して電気的に接続されている。
【００２６】
このような構成にすることで、第２の電極の端部から放射された電波が第１の電極の端部間を通過しようとする際に第１の電極に誘起電流が生じて電波に逆らう為、電波が相殺されて、近接する第２の電極に伝搬しにくくなる。したがって、出力電圧に電波が加わることなく、圧力センサが圧力を正しく出力できる。
【００２７】
ここで、接続部４とは、第１の電極２１の端部同士を電気的に接続する部位のことであり、第１の電極２１の側面に接合させた導電板または導電線、溶接等により形成された部位である。接続部４は、ステンレス、銅、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金などの金属からなり、電極層２と同材料に限らず、異なる金属でもよい。通常は、側方から見て第１の電極２１の端部よりも狭い幅に形成される。
【００２８】
そして、図２に示すように、接続部４は第１の電極２１の端部同士の間に設けられているのが好ましい。
【００２９】
この構成は、上下に隣り合う第１の電極２１の対向する主面の端部に圧電体層３が形成されておらず、接続部４がこのそれぞれの端部に接合された構成である。ここで、図２に示す接続部４は、上下に隣り合う第１の電極２１の端部同士の間に介在する板状体である
。このとき、接続部４の周方向長さは例えば１〜５ｍｍに形成される。
【００３０】
このような構成にすることで、第２の電極の端部から放射された電波が接続部４で反射される為、近接する電極に伝搬しにくくなる。したがって、さらに圧力センサの圧力を正しく出力できる。
【００３１】
また、図３に示すように、接続部４の少なくとも一部が第１の電極２１の端面よりも凹んでいるのが好ましい。
【００３２】
接続部４の少なくとも一部が第１の電極２１の端面よりも凹んでいることで、剛性が低く振動しやすい突起状の領域で外来の機械振動（ノイズ）を発散させてその伝達を抑制することができ、圧力センサ１の圧力をより正しく出力できる。
【００３３】
なお、凹む量としては、側方から見て、例えば厚み０．３μｍ〜０．５ｍｍの領域で深さ０．０２〜３ｍｍ凹んでいるのが効果的である。
【００３４】
さらに、図４に示すように、接続部４の内部に空隙４１があるのが好ましい。
【００３５】
このような構成にすることで、接続部４が変形しやすい構造となり、高温環境下での熱膨張による接続部４の周辺領域の第１の電極２１表面での変形量が緩和され、接続部４の周辺領域の第１の電極２１表面に加わる引張応力による亀裂の発生を防ぎ、高温耐久性を向上することができる。
【００３６】
なお、空隙４１は、例えば側方から見た透視図において、例えば厚み０．３μｍ〜０．５ｍｍ、周方向長さが０．０２〜３ｍｍに形成される。また、図に示す形状に限らず、積層方向に貫通するように設けられていてもよい。
【００３７】
また、図５に示すように、空隙４１が外側に開放したものであるのが好ましい。図５に示すものは、図４に示すような接続部４の内部に空隙４１がある形態において、この空隙４１が外側に通じているものである。
【００３８】
このような構成にすることで、外来の機械振動（ノイズ）により接続部４に生じた歪みに起因して発生する熱を放熱でき、圧電体層３の温度依存性の影響を受けにくく、圧力センサの圧力をより正しく出力できる。また、圧電体層３の積層面での温度分布の変化を小さくでき、圧電体層３の内部で熱歪みが小さくなると考えられ、圧電体の内部亀裂を防ぐことができる。
【００３９】
また、図６に示すように、空隙４１が側方から見て台形状であるのが好ましい。
【００４０】
このような構成にすることで、第1の電極２１の内部を伝播する外来の機械振動（ノイ
ズ）の反射波を、空隙４１の表面の傾きが伝播してきた方向とは異なる方向に反射させることができ、振動を分散して圧力センサの圧力をより正しく出力できる。
【００４１】
なお、例えば側方から見た透視図において、空隙４１の下底と上底との差の絶対値は例えば０．３μｍ〜０．５ｍｍであるのが効果的である。また、同様の効果を得るために、空隙４１の積層方向に垂直な方向の断面積に変化があればよく、また空隙４１の側壁が積層方向に対して傾斜していても効果がある。
【００４２】
また、図７に示すように、接続部４における空隙４１に面した内表面に凹凸があるのが好ましい。
【００４３】
このような構成にすることで、空隙４１に面した内表面の剛性が低い凸部分は振動しやすく、第1の電極２１の内部を伝播してきた外来の機械振動（ノイズ）が凸部分で発散さ
れるため、圧力センサの圧力をより正しく出力できる。空隙４１に面した内表面の凹凸の高低差が例えば１〜２００μｍあるとよい。
【００４４】
また、図８に示すように、空隙４１が２つ以上あるのが好ましい。
【００４５】
このような構成にすることで、第1の電極２１の内部を伝播してきた外来の機械振動（
ノイズ）が複数箇所で反射されるようになり、外来の機械振動（ノイズ）がより分散されるため、圧力センサの圧力をより正しく出力できる。
【００４６】
なお、第２の電極２２の端部同士の間にも導電板（スペーサー）を介在させてこれらを電気的に接続させるようにしてもよく、介在させないで単に溶接するだけで電気的接続させてもよい。
【００４７】
また、圧力センサの外部接続方法は、第１の電極２１と第２の電極２２とにそれぞれ導電性ケーブル（図示せず）を接続する方法が挙げられる。例えば、接続部４の側面と導電性ケーブル（図示せず）とを、はんだ付けで電気的に接続してもよい。
【００４８】
また、圧力センサをケース（図示せず）で封止することで、圧力センサが外来の異物接触による破損や、水分をはじめとする液体や気体による腐食や絶縁不良などの不具合から保護することができる。また、ケースが金属であれば、外来の電磁的ノイズの影響による圧力センサとしての精度低下を抑制することもできる。
【００４９】
本発明の製造方法の一例について説明する。
【００５０】
図１に示す例は、第１の電極２１と第２の電極２２の形状が同じ円弧状の例であるが、この第１の電極２１と第２の電極２２は、例えば、圧延加工された金属材を金型打ち抜き加工することにより得られる。
【００５１】
また、圧電体層３は、蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法、スピンコート法などの成膜法によって第１の電極に直接形成させるほか、原材料を成膜後、焼成工程などの熱処理を経て積層することもできる。
【００５２】
そして接続部４は、第１の電極２１の端部同士を電気的に接続するように、第１の電極２１の側面に導電板を抵抗溶接やレーザー溶接することにより得られる。
【００５３】
また、図２、図３に示す例のような第１の電極２１の端部同士の間に設けられた接続部４は、第１の電極２１の端部同士の間に所望の形状の導電板（スペーサー）を挟み、導電板（スペーサー）と第１の電極とを溶接することにより得ることができる。
【００５４】
また、図４、図８に示す例のような内部に空隙４１がある接続部４は、第１の電極２１の端部同士の間に挟む導電板（スペーサー）の形状を、１つまたは複数の空隙が設けられた形状とすることにより得ることができる。
【００５５】
なお、接続部４における空隙４１は、レジストおよびフォトエッチングにより導電板に形成された上下に貫通する貫通孔であってもよく、貫通孔の形成された導電板の上下に貫通孔の形成されていない導電板を貼り合わせて中空形状としたものであってもよい。
【００５６】
また、図５に示す例のような空隙４１が外側に開放した接続部４は、第１の電極２１の端部同士の間に挟む導電板（スペーサー）にスリット状の空隙４１をいれることにより、得ることができる。
【００５７】
なお、スリット状の空隙４１も、レジストおよびフォトエッチングにより導電板に形成された上下に貫通する切欠きであってもよく、切欠きの形成された導電板の上下に切欠きの形成されていない導電板を貼り合わせたものであってもよい。
【００５８】
また、図６に示す例のような側方から見て台形状の空隙４１を有する接続部４は、第１の電極２１の端部同士の間に挟む導電板（スペーサー）の形状を、台形状の空隙４１が設けられた形状とすることにより得ることができる。
【００５９】
なお、台形状の空隙４１も、レジストおよびフォトエッチングにより導電板に形成された上下に貫通する切欠きであってもよく、切欠きの形成された導電板の上下に切欠きの形成されていない導電板を貼り合わせたものであってもよい。
【００６０】
さらに、図７に示す例のような空隙４１に面した内表面に凹凸がある接続部４は、導電板（スペーサー）の空隙部分にサンドブラストなどにより粗面加工して得ることができる。
【００６１】
なお、接続部４における空隙４１の粗面加工は、予め貫通孔の形成された導電板における貫通孔または貫通孔の形成された導電板と貫通孔の形成されていない導電板とを貼り合わせることによって形成される空隙部分の表面に、スプレーガンで局所的に適切な粒径のブラスト材でブラストすればよい。
【実施例】
【００６２】
外径φ３０ｍｍ、内径φ２７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの半円弧の形状を、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）から切り出して、第1の電極および第２の電極を作製した。
【００６３】
次に、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、ターゲットにはφ５０の高純度セラミックスＰＺＴ板を用い、基板温度７５０℃、到達真空度２×１０−４Ｐａで予熱を行った後、アルゴンガス導入し、成膜圧力３．０Ｐａ、電流密度７０Ｗ／ｍ２で１０ｈｒ成膜し、膜厚１μｍのチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を第1の電極の両主面に成膜し、圧電体層と
した。
【００６４】
圧電体層が成膜された２つの第1の電極の端部同士を積層面で５ｍｍ重ね、重ねた箇所
の側面には、２つの第1の電極の端部同士が互いに電気的に接続されるように幅２ｍｍの
導電板をレーザー溶接して接続部を形成した。第２の電極は、圧電体層が成膜されていない以外は第１の電極と同様に作製し、端部同士を積層面で一部重ね、重ねた箇所をレーザー溶接し、同じ電極層に一対の第１の電極と第２の電極とを配置した。
【００６５】
第１の電極と第２の電極とにそれぞれ導電性ケーブルを半田付けして、外部回路と電気的に接続した。そして、第1の電極、第２の電極間に直流電圧６０Ｖを印加し、圧電体層
に分極処理を施して金属ケースに封入して、本発明実施例である試料１の圧力センサを作製した。
【００６６】
また、試料１と同じ第１の電極および第２の電極を使用し、両主面に圧電体層が成膜された２つの第1の電極の端部同士を積層面で５ｍｍ重ね、重ねた間には幅５ｍｍ、厚み０
．１ｍｍの導電板（スペーサー）を介在させ、第１の電極と導電板とをレーザー溶接して接続部を形成した。なお、第１の電極の端部に設けられた圧電体層はレーザー溶接の熱で
溶融して、第１の電極および導電板（スペーサー）の溶融箇所と混ざりあいながら、第１の電極および導電板（スペーサー）が接合される。同様に、第１の電極と同様に第２の電極の端部同士を積層面で一部重ね、重ねた箇所をレーザー溶接した。そして、試料１と同様に、導電性ケーブルを半田付けして分極したのち、金属ケースに封入し、本発明実施例である試料２の圧力センサを作製した。
【００６７】
また、第1の電極の端部同士を積層面で５ｍｍ重ね、導電板（スペーサー）の幅を３ｍ
ｍとした以外は試料２と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料３）を用意した。
【００６８】
また、導電板（スペーサー）に直径１ｍｍで積層方向に貫通する空隙を設けた以外は試料２と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料４）を用意した。
【００６９】
また、導電板（スペーサー）に幅１ｍｍで奥行き２ｍｍのスリット状に積層方向に貫通する空隙を設けた以外は試料２と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料５）を用意した。
【００７０】
また、導電板（スペーサー）に台形状に積層方向に貫通する空隙を設けた以外は試料２と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料６）を用意した。
【００７１】
また、導電板（スペーサー）の空隙の表面をサンドブラストにより粗くした以外は試料２と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料７）を用意した。
【００７２】
また、導電板（スペーサー）の空隙を２個（それぞれ幅１ｍｍ、積層方向に貫通）とした以外は試料４と同様に作製した本発明実施例である圧力センサ（試料８）を用意した。
【００７３】
また、試料１と同様の第１の電極および第２の電極を用い、第１の電極の端部同士を重ねずに２つの第1の電極の端部同士が互いに電気的に接続されるように幅２ｍｍの導電板
を第1の電極の端部の側面にレーザー溶接して接続部を形成した。そして、試料１と同様
に、導電性ケーブルを半田付けして分極したのち、金属ケースに封入し、比較例である試料９の圧力センサを作製した。
【００７４】
これらの圧力センサに対してサーボパルス試験と振動試験を行った。具体的には、サーボパルス試験では、圧力センサに繰返し荷重を下限１００Ｎ上限８０００Ｎの三角波としサイクル間隔を変えながら、導電性ケーブルと接続したチャージアンプの出力電圧波形の変化を確認した。また、振動試験では、掃引振動試験であって、圧力センサの積層方向が振動方向になるように、５〜５０００Ｈｚ、２０Ｇの振動を与えながら、導電性ケーブルと接続したチャージアンプの出力電圧波形の変化を確認した。
【００７５】
【表１】
2013007661.tif 000003
【００７６】
表１に示すように、比較例である試料９の圧力センサは、サーボパルス試験による出力波形にパルス性ノイズがあらわれるのに対し、本発明実施例である試料１〜８の圧力センサは、サーボパルス試験において、出力電圧の変化はなく正しい圧力が出力できることが確認された。
【００７７】
なお、試料３〜８の圧力センサにあっては、振動試験においても出力波形にパルス性ノイズがあらわれないことが確認された。
【符号の説明】
【００７８】
１  ：圧力センサ
２  ：電極層
２１：第１の電極
２２：第２の電極
３  ：圧電体層
４  ：接続部
４１：空隙
【図１】
2013007661.tif 000004
【図２】
2013007661.tif 000005
【図３】
2013007661.tif 000006
【図４】
2013007661.tif 000007
【図５】
2013007661.tif 000008
【図６】
2013007661.tif 000009
【図７】
2013007661.tif 000010
【図８】
2013007661.tif 000011
【図９】
2013007661.tif 000012